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1、第二章 高聚物的聚集态结构第一部分 内容简介一般材料存在三态 固、液、气态而高聚物存在二态固一晶态J液一玻璃态（无序）、高弹态、粘流态（熔化态）（过冷液体）液晶分子链的确定（分子间力）近程结构的确定 Y1分子链间距（规整性）2.1大分子间作用力与性能的关系内聚能密度 CED：1mol 凝聚态变成 1mol 气态所需的能量。常用高分子材料的内聚能密度PEPIBNRPBPSPMMACEDX103(J/m若均为无定形（玻璃态）CED越大，聚集态材料E越高（硬）。 PE不结晶时一一E小；PE结晶时一一有序度提高，分子间力增大,E大（塑） EPDM不结晶一一E小（橡胶）。)259272280276305
2、347PVACPVC尼龙-66PANCEDX103(J/m3)3683817749922.2高聚物结晶形态一、结晶形态与结晶条件有密切关系(1) 单晶极稀溶液中缓慢生成(0.01%)1957、A.keller.电镜照片 厚 10nm1953 电子衍射照片(2) 球镜浓溶液或熔体中生成(直径0.5100p m，有黑十字消光现象)观测方法，偏光显微镜电镜染色(氯磺酸刻蚀)分离晶区.非晶区(3) 其它 树枝晶，如高分子量聚乙烯 柱晶、串晶，如拉伸时 PP 结晶伸直链晶一高拉伸性，且p =0.99.(理想晶)Tm无穷大、结晶度的计算完全结晶高聚物(每晶胞为单位)密度可计算p =每个晶胞的重量=晶胞中结
3、构单元的个数x单元重量 C每个晶胞的体积a x b x c xa以聚乙烯为例密度趋近于1 .00晶区的量C/ p pfvcx100%X 100%= H H a 高聚物的总量ppca实际高聚物密度可测p无定形高聚物可测p a=0.852.3 聚合物的结晶过程、结晶动力学Avrami 方程v - v0 = t4 e - ktnv -v04n为Avrami指数与成核机理及生长方式有关，k为结晶速率常数半结晶期 t1/21/2ln 2tn 12 k、结晶热力学1）结晶高聚物的熔融熔点：（Tm）晶态高聚物熔融结束所对应的温度。熔限：晶态高聚物，从开始熔融到熔融结束所对应的温度范围（2）影响T的因素（Ma
4、rk耐温三角原理）m=h / AsmmmHm 为熔融前后的焓变mas为熔融前后的熵变m结构因素：分子间作用力大，ah增大，T高mm分子链刚性增加或取向先结晶，AS减小，T高mm结晶完善、晶片厚度增加，AH增大，T高mm外因：结晶温度高时，晶体的完善程度增大， T 高m（主要通过影响聚合物结构来体现）2.4 影响结晶能力的因素结晶的必要条件就是高聚物结构的规整性，充分条件就是适当的温度和时间。一、分子链的对称性化学结构对称性好的高分子链容易结晶，对称性差的不容易结晶。 例如聚乙烯和聚四氟乙烯，由于主链上没有不对称碳原子，而且旁侧原子又 都是相同的，所以非常容易结晶，结晶度也高。低压聚乙烯因分子支
5、链极少，结晶 速度快，结晶度可达95，高压聚乙烯分子链中平均1000 个碳原子就含有一个支 链，结晶度只能达到6070。双烯类聚合物，由于主链上有双键存在，有顺式和 反式两种异构体，因反式的对称性比顺式的好，所以反式的容易结晶，例如聚异戊 二烯，反式的等同周期是4.8A,而顺式的等同周期是8.1A，反式在常温下就结晶， 顺式的只有在低温下才能结晶。二、链的规整性当主链上含有不对称中心时，高分子的结晶能力便与链的立体规整性有很大 的关系。无规立构的聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯都不能结晶，而全同立构 和间同立构的这些聚合物都能结晶，而且全同立构的高分子要比间同立构的高分子 容易结晶，等规度愈
6、高结晶能力也愈强。三、共聚结构共聚物的结晶能力一般比均聚物差些。因为第二单体或第三单体的加入往往破坏了分子链分子结构的规整性，如乙 烯丙烯共聚物，它们化学结构相当于在聚乙烯丙烯的比例不同，可以得到不同结晶 度以至于非晶态的高聚物，当丙烯含量增大到 25左右时，便不能结晶，共聚物 变成了有弹性的橡胶乙丙橡胶。在嵌段共聚物中的各嵌段，接枝共聚物中的主链 和枝链，它们的结晶能力都保持各自的独立性。四、其他结构因素高聚物在结晶时要通过链段运动使大分子链排列到晶格中去，因此具备了结 晶的必要条件之后，分子链愈柔顺，愈有利于结晶。聚乙烯的分子链因非常柔顺， 即使将它的熔体迅速投入液氮之中也仍能结晶；聚对苯
7、二甲酸乙二酯分子的柔性较 差，它只能在熔体缓慢冷却的情况下结晶，冷却速度一快便不能结晶；聚碳酸酯分 子柔性更差，在通常的条件下也很难结晶，常以非晶态玻璃的形式存在。分子间作用力较大的聚合物，发生结晶也比较困难，但是一旦开始结晶则结 晶结构比较稳定，这类高聚物因此而具有较高的熔点，如聚酰胺， 分子中的C=0和NH基团能生成氢键，链段运动受氢键的制约，生成结晶比较困难，只有 比较高的温度下才能结晶。此外，交联也会降低高聚物的结晶能力，轻度交联的橡胶是能结晶的，随着 交联度的提高，结晶能力逐渐消失。2.5 晶态高聚物结构模型一、折叠链模型由于片晶、单晶和球晶的发现，提出了以折叠链为晶体基本结构形态的
8、模型即Hosemann模型。这个模型体现了高聚物晶体中存在结晶部分和无定形部分，结 晶部分是由一个个微晶所组成，每一微晶可以 看作是一个单晶。微晶内部由折叠链分子构成， 微晶和微晶之间是通过束缚分子相连的，这样 它们可协同对形变作出响应，在结晶部分还存 在着链端和缺陷。无定形区是由因构象复杂而 未能结晶的分子和由于分子量的差异而被排斥 于微晶之外的分子，以及束缚分子等组成。总 之Hosemann模型较好地反映了结晶高聚物的 实际结构。二、插线板模型描述晶态高聚物结构的模型是缨状胶束 模型。这个模型体现了结晶高聚物是由晶区和 非晶区组成，而每一个高分子链可以贯穿几个 晶区和非晶区。在晶区中高分子
9、链整齐排列成 晶体，在非晶区中分子链处于无序状态。三、其它模型2.6 高聚物的取向态结构及无定形结构许多高聚物产品如合成纤维、某些塑料薄膜等都是在一定条件下经过不同形 式的拉伸工艺制成的。研究这些产品中分子链的排列状态发现，它们总是在某个方 向上或两个方向上择优取向，从而使材料的性能发生了各向异性的变化，这种由大 分子链的取向所形成的聚集态称作取向态结构。取向单元非晶态高聚物的取向单元分两类链段取向一一链段取向时，链段沿外场方向平行排列，而大分子链的排列可能是杂乱的分子链取向一一分子链取向时，整个分子链沿着外场方向平行排列非晶态高聚物的取向状态在热力学上是一种非平衡态；而结晶高聚物中晶区 的取
10、向在热力学上是稳定的，在晶格破坏以前不会发生解取向。结晶高聚物中包含晶区和非晶区，晶区部分由晶粒组成。在外场作用下除了 发生非晶区的分子链或链段取向外，还有晶粒的取向排列问题。高聚物熔体结晶往 往生成由折叠链片晶组成的球晶， 对球晶拉伸形变过程的形态学研究表明，开始 拉伸时球晶变成椭园形，继续拉伸时球晶伸长，开强迫形变时球晶成为带状结构。 球晶的外形变化是内部片晶变形重排的结果，重排的机理有两种可能，一种可能是 晶片之间发生倾斜、滑移、转动甚至破坏，部分折叠链被拉伸成伸直链，使原有的 结构部分或全部破坏而形成新的取向折叠链晶片，以及贯穿在晶片之间的伸直链组 成的微丝结构。另一种可能是原有的折叠
11、链晶片，部分的被拉直变成沿着拉伸方向 的伸直链晶体。取向方式1. 单轴取向一一所谓单轴取向，是指材料只沿一个方向拉伸，长度增加，厚度和宽度减小，高分子链或链段沿拉伸方向排列。高分子材料在取向前，分子链和链段的排列是无序的，呈现出各向同性，取向以后， 沿着分子链方向的是共价键结合，而垂直于分子链方向的是次价键结合，因此，材 料呈现各向异性的力学、光学和热学性能。在力学性能 上，取向方向上的模量。、 强度比未取向时显著增大，而在与取向垂直的方向上强度降低。例如尼龙纤维，未取向时拉伸强度为7080Mpa,经过拉伸取向的复丝，在拉伸方向上强度达470570Mpa。2. 双轴取向一一双轴取向是批材料沿两
12、个互相垂直的方向科伸，面积增加， 厚度减小，高分子链或链段处于与拉伸平面平行排列的状态。双轴拉伸一般是对薄膜片材而言，材料经双轴拉伸以后，在材料的平面方向 上，强度和模量比未拉伸前提高，而在厚度方向上强度下降。如果在两个拉伸方向 上拉伸比相同，则材料平面内的力学性能差不多是各向同性的。电影胶卷、录象磁 带等都是双轴拉伸薄膜。无定形高聚物（1）Flory 的无规线团模型（2）局部有序的两相球粒模型2.7 液晶一、液晶的分类1）按结构分：近晶型，向列型，胆甾型2）按化学组成：主链结晶，侧链结晶二、应用举例2.8 高聚物的织态结构共混高聚物按其连续相和分散相的软硬程度又可分为四类：（1）分散相软，连
13、续相硬，橡胶增韧塑料属这类；（2）分散相硬，连续相软，橡胶塑料共混型热塑性弹性体属此类3）分散相和连续相均软，例如天然橡胶与各种合成橡胶的共混物属此类4）分散相与连续相均硬，例如聚乙烯与聚碳酸酯的共混物。第二部分 教学要求本章的主要内容有：高聚物的聚集态结构与分子间作用力的关系 高聚物结晶形态、结晶过程、结晶能力及结晶结构与材料性 能的关系 高聚物的取向结构及取向对材料性能的影响高分子的无定形结构模型高分子液晶的简单介绍高分子多相体系的种类典型的多相材料的应用本章的重点是：掌握高分子结晶的行态与结晶条件（结晶温度 、冷却速度）的关系 结晶速度及结晶能力与链结构及外界条件（结晶温度、冷却速度）的
14、关系 结晶形态对高聚物性能的影响 结晶及非结晶高聚物的取向过程及取向对性能的影响本章的难点是： 对结晶过程的理解要求掌握的内容：（1）高聚物晶体的形态及性能（密度、强度、模量、伸长率、溶解特性） 的关系（2）结晶过程的动力学方程（3）结晶能力与链结构及外因的关系（4）结晶形态与结晶温度及冷却速度的关系（5）取向的机理及取向对材料性能的影响理解内容：（1）高聚物的结晶模型（2）无定形结构模型（3）结晶及取向在工业上的应用实例（4）结晶度的测量及计算方法了解内容：（1）高分子液晶的种类、结构及应用（2）研究结晶的方法（3）高分子多相体系的种类（4）典型的多相材料的应用第三部分 习题1名词解释单晶 多晶Avrami 指数 结晶度 折叠链模型 液晶取向熔点熔限取向度均相成核内聚能密度2）高分子材料内部抵抗形变的力可能有 （包括）、等同周期2填空题（1）高聚物的结晶形态有伸直链晶体。、和完全等。3）高聚物的单晶一般只能在中生成，而在熔体或浓溶液中外力较小时形成它在偏光显微镜下具有现象，在极强外力作用下或对熔体进行 处理则能形成 这种晶体的特性是、等。4）高密度聚乙烯与低密度聚乙烯相比其支化度 、分子 的规整性、结晶度、熔点、密度、硬度 、强度。5）描述结晶结构的模型有、等，它们分别描述了 、的特征。6）描述非晶结构的模型有
